在自然界中，阴阳运体生物离子通道可以精准筛分离子。离共锂更离材料牛受此启发，传输研究人员构筑了大量仿生离子筛分材料。让提这些筛分材料可以把一种阳离子跟其他阳离子分开，高效共转也可以把一种阴离子跟其他阴离子分开。基于这些材料在化工、仿生环境领域应用广泛，镁分比如可以用于提锂，阴阳运体用于水处理等等。离共锂更离材料牛用于分离阳离子的传输材料一般传输阴离子慢，而用于分离阴离子的让提材料则传输阳离子慢——也就是说，这些材料往往会同时把阴离子跟阳离子分开。高效共转但是基于阴阳离子带相反的电荷，把阴阳离子分开经常会带来一系列的仿生问题，比如造成分离材料两侧电荷不平衡，抑制离子传输。

中国科学院青岛生物能源与过程研究所的高军、青岛大学刘学丽、随欣带领的团队长期从事仿生离子筛分材料研究。他们想到，有一类生物离子传输蛋白质可以分离碱金属阳离子与其他阳离子，可以分离氯离子与阴离子，但同时可以以同等速率传输碱金属阳离子和氯离子，从而保持电荷平衡。这种蛋白就是阳离子-氯化物协同转运蛋白（CCCs）。

以往的仿生离子筛分材料不具备这种独特的离子传输性质。现在，青能所与青岛大学联合研究团队制备了一种带季胺基团的多孔有机框架薄膜，具有与生物类似的、可以协同转运碱金属离子与氯离子的性质。该薄膜结构无序，导致其孔径非常小，可以通过尺寸排阻效应筛分出小尺寸的碱金属离子和氯离子，排阻其他阴阳离子。同时，这种薄膜亲水但是电性很弱，无明显电荷选择性，可以以相同速率传输碱金属离子和氯离子。

因此，该薄膜用于提锂（锂镁分离）时，可以有效抑制电荷不平衡问题，展现出优异的通量与选择性。此外，由于该类膜传输碱金属离子和氯离子速率接近，我们可以简单的通过在溶液中加入大量廉价氯离子来加速高价值碱金属离子（如锂）的传输，进一步提升提锂性能。

该研究成果以“Artificial Cation-Chloride Co-transporters for Chloride-Facilitated Lithium/Magnesium Separation”为题发表于Angewandte Chemie International Edition。文章第一作者为青岛大学与中国科学院青岛生物能源与过程研究所2021级联培硕士侯玉双。研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、自主部署强基计划等项目的支持。

图1. 仿生CCCs的构建。

图2. 阳离子间选择性。

图3. 阴离子间选择性。

图4. 阳离子-阴离子共转运提升锂镁筛分性能。

文章信息：

Yushuang Hou, Chenguang Zhu, Haozhe Sun, Yongye Zhao, Shangfa Pan, Shuhui Ma, Qianqian Fu, Xin Sui*, Xueli Liu*, Lei Jiang & Jun Gao*, Artificial Cation-Chloride Co-transporters for Chloride-Facilitated Lithium/Magnesium Separation. Angew. Chem. Int. Ed. 2025.

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202504259

作者简介

高军，研究员，博士生导师，界面仿生工程研究组课题组长。2009年获山东大学物理学学士学位；2014年获中科院化学所物理化学博士学位，导师江雷研究员；2014年-2016年在美国西北大学材料科学与工程学院黄嘉兴教授课题组从事博士后研究；2017-2019年在荷兰特文特大学Frieder Mugele教授课题组从事博士后研究；2020年加入中科院青岛能源所。已发表论文50余篇，包括Nat. Commun.，JACS，Angew. Chem. Int. Ed.，Sci.Adv.， PNAS等。主持国家自然科学基金面上项目，国家重点研发课题，中科院高层次人才计划等。

刘学丽，博士，青岛大学材料学院副教授，硕士生导师。2014年获中科院化学所物理化学博士学位，师从江雷院士和王树涛研究员。曾获中科院院长优秀奖。发表文章共计三十余篇，其中相关成果以通讯作者/第一作者身份发表在Angew Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Nat. Commun. ACS Nano、Water Res.、Small、ACS Appl. Mater. Interfaces、Chem. Soc. Rev.等国际期刊上。讲授《高分子物理》本科生专业课程。

随欣，女，博士，青岛大学特聘教授，教授，硕士生导师。2018年获北京航空航天大学材料物理与化学专业博士学位，随后进入青岛大学材料科学与工程学院任教。近年来致力于仿生纳米通道的研究，相关成果发表在Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., J. Am. Chem. Soc.等国际主流期刊。主持国家级项目2项，省部级项目3项，成果转化1项，担任第六届中青科协理事。承担《高分子化学》等课程的教学工作。